基于统计原理的铁路隧道运营期灾害类型及防灾对策研究

基于统计原理的铁路隧道运营期灾害类型及防灾对策研究

李 奎， 王志强

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610083)

摘要：统计分析了83例国内外铁路隧道运营期事故资料，研究了铁路隧道运营期间主要灾害类型、原因及防灾对策。研究结果表明： 1)铁路隧道运营期间主要灾害类型有火灾、列车碰撞、脱轨及衬砌剥落； 2)铁路隧道运营期防灾应以隧道火灾为重点，同时兼顾列车碰撞、脱轨和隧道衬砌混凝土剥落等灾害； 3)隧道内旅客列车火灾的主要原因为列车车辆关键部位故障、人为因素、列车车辆缺陷致列车碰撞或脱轨； 4)依据土建设施规模及隧道结构分布特点，长大铁路隧道(群)运营期防灾模式可选择定点停车疏散救援模式、全长或局部范围内随机停车疏散救援模式； 5)铁路隧道防灾涉及基础设施、铁道车辆和运输调度，应建立铁路隧道运营期灾害防范体系及预警系统，防止事故发生。

关键词：铁路隧道； 运营期灾害； 灾害类型； 火灾； 列车碰撞； 脱轨； 衬砌混凝土剥落

0 引言

近年来，我国新建铁路线中涌现出了大量的长大隧道及隧道群，隧线比进一步提高，如云桂线隧线比为54.6%、成兰线隧线比为70.27%、成昆铁路米易至广通段扩能改造工程隧线比为75.7%。据2015年统计，我国长度超过20 km的铁路隧道有15座，其中已运营最长的铁路隧道为新关角隧道(长32.645 km)，在建最长的铁路隧道为高黎贡山隧道(长34.538 km)。针对我国铁路线中涌现出的大量长大隧道及隧道群，隧道运营防灾日益受到高度重视，在2012年出台了铁路行业标准《铁路隧道防灾救援疏散工程设计规范》，并在2015年启动了该规范的修编。由于铁路隧道在结构、环境上的特点，一旦隧道内发生运营灾害事故，事故产生的后果可能非常严重，比如在其他地方可能很容易控制的火灾事故，在隧道内可能会发展成灾难性事故。铁路隧道内基本可能会发生3种类型的运营事故，即脱轨、列车碰撞和火灾。

20世纪70—80年代，我国铁路隧道内先后发生了3次比较严重的货物列车火灾事故，自此铁路隧道消防技术列入铁路安全运输的重大课题之一，成为业内持续关注和研究的热点。陈向东等[1]介绍了我国10年内开展铁路隧道消防技术研究取得的成果；陈宜吉等[2]介绍了国内外铁路隧道中的火灾案例(国内6例、国外7例)，并从多方面调查分析了隧道内火灾发生的主要原因，为列车运输管理、车辆防灭火、隧道消防设计提供了参考。文献[3-7]基于上述案例开展了铁路隧道防火技术研究，如火灾原因及预防措施、火灾灭火抢险战术和技术、火灾预防及救援、封堵战术、防火设计等。此外，朱福寿[8]分析了铁路隧道内油罐列车脱轨的原因，并着重研究了油罐列车运行的安全性及改善措施。

铁路隧道运营期防灾的首要任务是确定灾害类型及其诱因，提出相应对策。本文拟收集国内外铁路隧道运营期事故案例资料，构建案例数据库，研究灾害类型、致灾因素及相应对策，以期为铁路隧道建设、运营及防灾提供参考。

1 铁路隧道运营期灾害类型统计

从文献[2]和文献[9]、科技期刊、专业网站公布的事故调研报告等公开文献，收集了国内外铁路隧道运营期事故案例共计83例，见表1。其中： 中国24例(包括台湾2例)，英国15例，日本10例，法国5例，英法海峡隧道7例，意大利4例，瑞士3例，瑞士与意大利跨境Simplon隧道3例，美国4例，西班牙2例，南斯拉夫、奥地利、德国、挪威、韩国和塞尔维亚各1例。统计的灾害类型有： 1)火灾，共计43例； 2)未引发火灾的列车脱轨，共计15例； 3)未引发列车脱轨及火灾的列车碰撞，共计9例； 4)列车停车，共计7例； 5)隧道衬砌混凝土剥落威胁行车安全，共计6例； 6)列车炸弹爆炸，共计2例； 7)设施脱落威胁行车安全，共计1例。这些灾害事故造成了1 086人死亡，2 357人受重轻伤，累积行车中断至少14 396 h(仅统计了部分隧道运营事故)，直接和间接经济损失更是无法估量。

表1 国内外铁路隧道运营期事故统计

Table 1 Accident statistics of railway tunnel during operation period in China and abroad

序号隧道名称国家/线路年份车型事故类型伤亡人数及损失情况事故原因1Sutton隧道英国1851年旅客列车列车碰撞9人死亡,30～40人受伤无信号防护2Clayton隧道英国1861年旅客列车列车碰撞23人死亡,超过176人受伤 信号指挥错误,列车司机操作错误3Blackheath隧道英国1864年 道砟列车/旅客列车列车碰撞5人死亡 道砟列车在隧道内发生车厢脱落4Welwyn隧道英国1866年货物列车火灾2人死亡,2人受伤,列车损毁 发动机故障致列车在隧道内停车,信号指挥错误致3列列车相撞5BleaMoor隧道英国1880年旅客列车列车碰撞不详 列车制动缺陷使列车在隧道内停车,后行列车驾驶员闯信号6Woodhead隧道英国1913年货物列车列车脱轨不详机车烟雾7Redhill隧道英国1918年 货物列车/军火列车列车脱轨 军火列车全部脱轨,炸药散落,事故现场清理花费40h 货物列车车厢脱落、停留,信号员指挥错误8Batignolles隧道法国1921年旅客列车火灾28人死亡,74人受伤 列车在隧道内停车,与后续驶来列车发生碰撞9Rieken隧道瑞士1926年货物列车火灾9人死亡不详10Gütsch隧道瑞士1932年 旅客列车/货物列车火灾6人死亡,15人受伤 客车司机疏忽信号,旅客列车与货物列车在隧道内追尾1120号隧道西班牙1944年 旅客列车/货物列车火灾78人死亡,火灾持续2d 快线列车制动缺陷致下坡失控,在隧道内与调运列车追尾,迎面驶来的运煤列车与调运列车发生碰撞12Armi隧道意大利1944年货物列车列车停车426人死亡,60人受伤 超载列车在隧道内停滞,蒸汽机车燃烧煤炭产生CO13生驹山隧道日本1947年旅客列车火灾 28人死亡,73人重伤,车辆烧毁等前部车辆的主变电器过热起火

表1(续)

序号隧道名称国家/线路年份车型事故类型 伤亡人数及损失情况事故原因1418号隧道日本1956年旅客列车火灾 1人死亡,42人受伤,车辆烧毁等 机车断路器故障,主变电器起火15石北隧道日本1961年旅客列车火灾不详 动车车厢地板下的电动机起火16Simplon隧道瑞士、意大利1969年旅客列车火灾无人员伤亡列车尾部的机械装置起火17Wranduk隧道南斯拉夫1971年旅客列车火灾33人死亡,57人受伤柴油发电机车起火18Crozet隧道法国1971年 货物列车/油罐列车火灾 2人死亡,部分隧道坍塌,整修96d 油罐列车脱轨,货物列车与脱轨的油罐车发生碰撞、起火19Simplon隧道瑞士、意大利1971年列车列车脱轨5人死亡不详20Vierzy隧道法国1972年旅客列车火灾108人死亡,240人受伤 列车会车时隧道结构及围岩发生塌方,砸中列车,发生火灾21北陆隧道日本1972年旅客列车火灾 30人死亡,715人受伤,餐车烧毁 餐车吸烟室座椅下电气取暖器漏电引发火灾22Disley隧道英国1973年货物列车列车脱轨运营中断1周事发地轨道断裂2346#隧道中国/丰沙线1976年货物列车火灾 3节罐车报废、1节守车中破,线路损坏220m,隧道修整费40万元 工人违章作业导致油罐车脱轨,列车冲进隧道并诱发火灾24140#隧道中国/宝成线1976年货物列车火灾 75人死亡,14人受伤,行车中断约382h,25节车厢报废或破损,大量运载物质损失 隧道中修,货车减速过猛发生脱轨,颠覆,诱发火灾25某隧道法国1977年列车列车碰撞1名司机死亡不详26凯格奇纳斯隧道西班牙1978年 油罐列车/救援列车火灾7人死亡,车辆烧坏 接触网故障造成油罐列车停车,救援列车推车引发爆炸27NewMillsCen-tral隧道英国1979年货物列车列车脱轨不详轨道缺陷28南澳隧道中国/北回线1982年旅客列车炸弹爆炸4人死亡,1节客车报废乘客放置炸药自杀29Summit隧道英国1984年油罐列车火灾 烧损4#汽油620t,烧毁10节油罐车等油罐列车脱轨引起火灾30Apenninebase隧道意大利1984年旅客列车炸弹爆炸 17人死亡,120人受伤,2节车厢毁坏 黑手党策划并实施了列车爆炸事故31新生驹山隧道日本1987年旅客列车火灾 1人死亡,48人受伤,部分电缆烧毁 隧道避人洞中高压线电缆发生火灾32斯普罗乌尔隧道美国1987年 —火灾隧道的木质护墙板烧毁洞口火灾引起隧道内火灾33十里山2#隧道中国/陇海线1987年货物列车火灾 2人死亡,行车中断约202h,直接经济损失约117万元,隧道加固等事故抢修费用约240万元 钢轨断裂引起油罐列车颠覆起火成灾34后湾车站曲线隧道美国1990年旅客列车火灾 453人受伤,列车、轨道及设备损坏,估计损失1267.5万美元 曲线隧道内旅客列车严重超速,引发脱轨、碰撞及火灾35梨子园隧道中国/襄渝线1990年货物列车火灾 直接经济损失约500万元,行车中断约551h 油汽外溢聚集达到汽油爆炸极限,遇火花爆炸起火36Hirschengraben隧道瑞士1991年旅客列车火灾无人员伤亡火灾原因不详37Standedge隧道英国1991年货物列车火灾不详不详38Severn隧道英国1991年旅客列车列车脱轨无人员死亡,部分车厢损坏 信号系统出现问题,动车闯信号39大瑶山隧道中国/衡广复线1991年旅客列车火灾12人死亡,20人受伤 旅客乱扔烟头引发火灾,列车员误判停车引发临线列车撞人

表1(续)

序号隧道名称国家/线路年份车型事故类型伤亡人数及损失情况事故原因4018#隧道中国/青藏线1992年货物列车火灾 直接经济损失约132.6万元,行车中断82h 列车动荷载下路基不均匀下沉,使轨道尺寸突变,导致列车脱轨41蔺家川隧道中国/西延线1993年货物列车火灾 8人死亡,10人受伤,16节车厢报废,1辆机车报废,烧毁原油343t 油汽外溢聚集达到汽油的爆炸极限,遇火花爆炸起火42英法海底隧道英国、法国1996年旅客列车列车停车无人员伤亡雪融化引起机车电气故障43英法海底隧道英国、法国1996年货物列车火灾 34人受伤,6辆卡车烧毁,11辆卡车与火车头烧坏,500m隧道损坏 火灾原因不详,但已证实,运载的着火卡车上载有大量的聚苯乙烯等化工产品44Exilles隧道意大利1997年货物列车火灾 2名列车司机受伤,1辆机车、13节车厢及156辆汽车烧损 汽车车门拖住了输电线引发火灾45朝阳坝二号隧道中国/湘黔线1998年货物列车火灾 6人死亡,50余人受伤;衬砌损失严重,行车中断21d 列车脱轨,油汽泄漏,紧急制动后列车冲进隧道内发生油汽爆炸46某特长隧道意大利1999年旅客列车火灾4人死亡,9人受伤 可能是故意纵火,也可能是烟雾弹造成47福冈隧道日本1999年旅客列车列车碰撞 9号、11号和12号车厢顶受损,而10号和12号车厢的集电弓破损 隧道衬砌剥落砸中列车及集电弓48北九州隧道日本1999年 —衬砌剥落列车停运10h隧道衬砌剥落49礼文滨隧道日本1999年货物列车列车脱轨无人员伤亡,列车脱轨 列车与掉落的衬砌块相撞击,并引发列车脱轨50缆车隧道奥地利2000年缆车火灾155人死亡原因不详51兴安岭隧道中国/滨洲线2000年 —衬砌剥落中断行车二次衬砌局部剥落52HowardStreet隧道美国2001年货物列车火灾10节车厢脱轨,部分烧损脱轨引发火灾,脱轨原因不详53万山寺隧道中国/达成线2001年 —衬砌剥落 衬砌局部剥落长约24m,塌方近1000m3二次衬砌局部剥落54清凉山隧道中国/宝中线2001年 —衬砌剥落衬砌局部剥落长约3m二次衬砌局部剥落55汪甸1号隧道中国/南昆线2002年货物列车列车脱轨 无人员伤亡,8节车厢脱轨,部分线路损坏,行车中断29h 持续普降暴雨,路基沉降,列车中部第21—28节车厢脱轨56Mornay隧道法国2003年Autorail列车火灾无人员伤亡原因不详57南澳隧道中国/北回线2003年货物列车列车脱轨 9节车厢及2辆机车脱轨,部分轨道损毁,隧道运营中断7d北上货物列车闯信号583号Eagle隧道美国2005年货物列车列车脱轨 2人受伤,机车及6节货车脱轨,财产损失约18.5万美元 因雨雪天气,隧道北洞口发生通天塌方59兴安岭隧道中国/滨洲线2005年旅客列车列车停车约100余人CO中毒受伤 内燃机发生故障、停车,机车排除废气进入车厢60英法海底隧道英国、法国2006年货物列车火灾 列车及卡车、输电线、隧道衬砌部分烧损估计运载的卡车内货物“闷烧”61Landrücken隧道德国2008年旅客列车列车脱轨 39人受伤,77头羊死亡,12节车厢脱轨 列车与隧道内迷失的羊群相撞,引发列车脱轨62英法海底隧道英国、法国2008年货物列车火灾 6人受伤,列车、卡车及隧道衬砌部分烧损 具体原因仍然未知,但据猜测,一辆卡车发生电气故障引发火灾63109#隧道中国/宝成线2008年货物列车火灾 1人受伤,17节车厢脱轨,21节车厢爆炸燃烧,部分线路损坏严重 地震引起隧道南口及中部山体坍塌,列车脱轨,碰撞起火64英法海底隧道英国、法国2009年旅客列车列车停车隧道运营短暂中断雪融化导致列车电气故障

表1(续)

序号隧道名称国家/线路年份车型事故类型伤亡人数及损失情况事故原因65乌鞘岭隧道中国/兰新线2009年旅客列车火灾 1名乘务员晕倒,机车损坏,列车中断4h 机车主变压器油箱泄漏引起火灾66须磨隧道日本2010年维修车列车脱轨无人员伤亡,2节车厢脱轨 隧道内尘土飞扬,能见度较差,2列列车发生追尾67Summit隧道英国2010年旅客列车列车脱轨无人员伤亡,列车部分受损冰柱或冰块坠落在轨道上68盐市三号隧道中国/焦柳线2010年旅客列车列车脱轨 无人员伤亡,机车及3节车厢脱轨泥石流掩埋隧道洞口69泥牛隧道日本2011年旅客列车火灾39人受伤,6节车厢完全烧损 车轮的轻微凹陷而引起振动,固定钢板的减速机螺母松动,导致车厢脱轨;车厢起火系油箱漏油70Simplon隧道瑞士、意大利2011年货物列车火灾 10节货车及货物烧毁,隧道衬砌有300m损毁,修复工作耗时半年原因不详71Snow隧道挪威2011年旅客列车火灾 隧道和列车烧损,共计损失2.5亿挪威克郎;运营中断7d 隧道为木质结构,焊接火花引起隧道火灾72Balcombe隧道英国2011年 —设施脱落运营中断24h 集水设施一侧的3根钢梁与衬砌发生脱落73金井隧道韩国2012年旅客列车列车停车无人员伤亡 列车冷却装置发生故障,导致列车停止运行74李家庄3号隧道中国2012年 —衬砌剥落行车中断二次衬砌拱部剥落75苟家沟隧道中国/达成线2012年 —衬砌剥落行车中断二次衬砌局部剥落76To?inBunar隧道塞尔维亚2013年旅客列车列车碰撞22人受伤,2列列车部分受损 列车因发动机故障在隧道内停车77某隧道中国/甬台温线2013年旅客列车列车停车 隧道内列车停留5h,8趟列车晚点车顶电流互感器故障引发停车78小米溪隧道中国/襄渝线2013年旅客列车火灾无人员伤亡,运行中断2.5h 柴油发电车出现故障,发电车起火79英法海底隧道英国、法国2014年旅客列车列车碰撞无人员伤亡 列车与坠落的电力电缆装置发生撞击80Watford隧道英国2014年旅客列车列车碰撞无人员伤亡,列车部分受损列车与信号柜柜门发生撞击81关角隧道中国/青藏线2014年货物列车列车停车1人死亡,3人受伤 不适配高原运输的内燃机车发生故障,产生黑烟致高原隧道内司机窒息82王家岭隧道中国/宜万线2014年旅客列车列车脱轨 无人员伤亡,第14节车厢脱轨,部分车窗玻璃损坏,运营中断330min原因不详83英法海底隧道英国、法国2015年货物列车火灾无人员伤亡2辆卡车内货物“闷烧”

上述统计资料中，最早的案例是英国Sutton隧道(1851年)，最近的案例是英法海底隧道(2015年)。以10年为统计期，各时段国内外铁路隧道运营事故案例分布见图1。在1970年以前，国内外铁路隧道运营事故案例均保持在较低的水平，最多3例；在1970—1979年，铁路隧道运营事故案例首次突破3例，达到11例；在1980—1989年，铁路隧道运营事故案例回落至4例；而在1990—1999年，国内外铁路隧道运营事故案例呈现迅猛增长，达到16例；在2000—2009年，铁路隧道运营事故案例也保持在高位，为16例；在2010—2015年，铁路隧道运营事故案例再创新高，达到了18例。

上述铁路隧道运营期事故案例中，火灾、列车脱轨和列车碰撞3类隧道运营期事故案例累积有67例，达到了统计事故总数的80%。从1950年以来，各时段内3类事故案例分布见图2，有些案例是先后发生列车脱轨、碰撞及火灾或列车碰撞、脱轨及火灾。

此外，铁路隧道内发生衬砌剥落及设施脱落威胁列车行车安全的事故案例也不少，此类事故是从20世纪90年代末以后才逐渐凸显出来，并且引起了铁路运营管理部门的高度重视。

图1 国内外铁路隧道运营事故统计

Fig. 1 Statistics of operational accidents in railway tunnels in China and abroad

图2 3类铁路隧道运营事故统计

Fig. 2 Statistics of three categories of operational accidents in railway tunnels

铁路隧道中列车发生停车事故，主要原因是车辆故障，如英法海底隧道(1996年和2009年)、兴安岭隧道(2005年)、金井隧道(2012年)、甬台温线某隧道(2013年)和关角隧道(2014年)。对于电气化铁路隧道，列车停车事故所产生的后果及影响可能较小；但是对于非电气化铁路隧道，列车停车事故所产生的后果及影响可能非常严重，如Armi隧道(1944年)和关角隧道(2014年)。因此，非电气化铁路隧道中列车停车需要采取措施，防止内燃机车产生有毒烟雾使列车上人员产生中毒或窒息事故。

总之，从1970年以来，国内外铁路隧道运营事故案例总体呈现上升趋势，隧道火灾、列车脱轨、列车碰撞、衬砌剥落及设施脱落威胁行车安全是未来铁路隧道运营事故防范的重点。

2 列车碰撞事故原因及对策

隧道内列车碰撞事故是指运行列车之间的追尾或正面碰撞，运行列车与轨道上的障碍物(衬砌掉块等)、隧道内设施或行人发生碰撞。隧道内列车碰撞事故可能会造成列车停车、脱轨或起火，列车车辆遭受损失；人员伤亡；隧道内被撞设施毁坏。

表1中，涉及列车碰撞的事故共计有26例，造成列车碰撞的主要原因有：

1)信号操作员、列车司机或维护工人犯错误等人为因素，共计11例；

2)车厢脱落或车辆故障引发车厢或列车停留，共计6例；

3)隧道衬砌剥落及电气设备坠落，横亘在轨道上，共计5例；

4)冰块或冰柱坠落，横亘在轨道上，共计1例；

5)隧道洞口发生泥石流或滑坡，掩埋轨道，共计1例；

6)动物在隧道内迷失，共计1例；

7)隧道内能见度较差，共计1例。

由此可见： 隧道内列车发生碰撞事故，1)—3)项是主要因素，4)—7)项是次要因素。

导致隧道内列车碰撞事故的各种因素中，人为因素占比较大，人为因素包括信号指挥员操作错误、司机闯信号、司机驾驶列车超速等。与1851—1940年期间相比，1941年至今，人为因素导致隧道内列车发生碰撞事故的数量已明显减少，如图3所示。20世纪初，列车进出隧道的信号是由隧道值守的信号指挥员依靠简单的通讯工具控制的，信号指挥员偶尔会犯错误，造成列车在隧道内发生追尾或碰撞事故。随着铁路信号系统新技术的应用，列车进出隧道实现了自动控制，从而避免了一些人为因素造成隧道内列车发生碰撞事故。

图3 各时段内人为因素导致列车碰撞事故量对比

Fig. 3 Comparison among train collision accidents induced by human factors of every period

现有案例表明,隧道内列车车辆故障引发的列车停车主要是机车发动机故障，或列车制动缺陷或故障。

隧道衬砌剥落的原因比较复杂，通常是隧道病害产生、演化，最终导致衬砌结构失稳破坏。隧道内机电设施坠落等事故较少出现，但是事故一旦出现，造成的后果可能是非常严重的。

隧道内行驶列车与迷失的动物、轨道上坠落的冰块或冰柱等障碍物发生撞击，事故涉及铁路运营、维修养护等管理体制及作业。外部泥石流封堵隧道出口或洞口滑坡形成岩土体横亘在轨道上，致使列车发生行车事故，这种事故具有突发性。

对上述铁路隧道内列车碰撞事故原因进行分析，并提出相应对策，如表2所示，以减少隧道内列车碰撞事故。

表2 铁路隧道内列车碰撞事故原因及相应对策

Table 2 Causes and corresponding countermeasures of train collision accidents in railway tunnel

列车碰撞原因相应对策人为因素加强学习、培训及管理 车厢脱落或车辆故障引发车厢或列车停留加强列车检修,提高检修技术水平 衬砌剥落及电气设备坠落,横亘在轨道上 提高隧道衬砌维修养护技术水平,及时甄别高风险的隧道病害,并制订整治计划 冰块或冰柱坠落,横亘在轨道上特殊天气情况下增加隧道巡检次数 洞口发生泥石流或滑坡,掩埋轨道开展隧道洞口监测及预警动物在隧道内迷失 加强运营管理,开展隧道洞口监测及预警

3 列车脱轨事故原因及对策

列车脱轨主要是指运行中的机车车辆轮对与线路钢轨的正常关系发生改变，使得车轮离开轨面。列车脱轨危及行车安全，轻则中断行车，扰乱运输秩序，重则车毁人亡，造成重大经济损失和社会影响。

表1中，涉及列车脱轨事故共计有26例，其中引发火灾的列车脱轨事故有11例。这些事故中，造成列车脱轨的主要原因有：

1)列车碰撞，共计9例；

2)轨道缺陷或断裂，共计3例；

3)由路基不均匀下沉、工人违章作业等因素导致轨道尺寸突变，共计3例；

4)车轮的轻微凹陷，共计1例；

5)特殊情况下列车紧急制动，共计1例；

6)曲线隧道内列车严重超速，共计1例；

7)特大地震，共计1例；

8)列车司机受机车烟雾影响，共计1例；

9)脱轨原因不详，共计6例。

由此可见: 在铁路隧道内，1)—3)项引发列车脱轨事故约占列车脱轨总事故的60%，4)—8)项引发列车脱轨事故各1例。

由统计可知，隧道内列车行车发生碰撞是引发列车脱轨的首要因素，列车发生碰撞的主要原因有：

1)列车与脱落的车厢发生碰撞；

2)闯信号引发列车追尾；

3)列车与轨道上的障碍物(脱落的衬砌、塌方体、冰块或冰柱、泥石流堆积体、迷失的动物)发生撞击。

导致隧道内列车脱轨事故的轨道因素主要包括2方面： 1)轨道缺陷或断裂， 2)路基不均匀下沉、工人违章作业等因素导致轨道尺寸突变。

对上述铁路隧道内列车脱轨事故原因进行分析，并提出相应对策，见表3，以减少隧道内列车脱轨事故。

表3 铁路隧道内列车脱轨事故原因及相应对策

Table 3 Causes and corresponding countermeasures of train derailment accidents in railway tunnel

列车脱轨原因相应对策列车碰撞 加强培训及运营管理,杜绝人为错误;加强人工巡检或发展在线的自动监测及预警技术,排除轨道上的障碍物轨道缺陷或断裂轨道尺寸突变 采用先进的检查技术,加强定期检修和在特殊条件下临时检修列车车辆原因 加强列车车辆检修,杜绝货物严重偏心装载,避免将小车、空车编组在列车中部曲线隧道内列车超速 特殊情况下列车紧急制动加强培训及运营管理,杜绝人为错误特大地震开展铁路地震监测预警技术应用研究

4 火灾事故原因及对策

铁路隧道火灾事故主要由列车行车事故引发，也有个别事故是由洞外山火引发或洞内高压电缆起火引发。由于隧道内封闭的环境，隧道内火灾的特点有烟雾大，温度高，疏散、灭火及救援困难，因此，世界各国都高度重视隧道运营的消防安全。

表1中，铁路隧道火灾事故共计有43例，占事故总数的50%，其中，涉及旅客列车(包括缆车和Autorail列车)的火灾事故有21例，涉及货物列车(包括油罐列车)的火灾事故有23例。此外，洞外山火诱发隧道火灾事故有1例。

4.1 旅客列车火灾事故

旅客列车在隧道内发生火灾事故的主要原因有：

1)列车车辆关键部位故障，共计8例；

2)闯信号、列车超速、故意纵火等人为因素，共计6例；

3)列车车辆缺陷致列车碰撞或脱轨，共计2例；

4)洞内高压电缆起火，共计1例；

5)会车时隧道塌方砸中列车发生火灾，共计1例；

6)火灾原因不详，共计3例。

由此可见： 1)—3)项是旅客列车在隧道内发生行车火灾事故的主要因素，4)项和5)项偶尔发生，是个案。

分析统计案例，列车车辆关键部位故障，例如主变电器过热或漏油、电动机或发电机故障、电气取暖器漏电、列车尾部的机械装置故障等，引发了隧道列车火灾。欧美主要发达国家或地区组织制定了DIN5510、NFPA130、EN45545等技术标准，对铁路车辆使用材料进行了规范。目前旅客列车的防火性能已经大大提高，包括机车及客车的主体材料及内饰材料，但是旅客列车车辆关键部位需要重点进行防火设计。

导致隧道火灾事故的人为因素，包括信号指挥错误或闯信号致列车发生碰撞、列车超速行驶致列车脱轨及碰撞、故意纵火或旅客乱扔烟头、焊接火花等。

列车制动系统缺陷、列车车轮缺陷等机车车辆缺陷，致使列车在隧道内发生碰撞或脱轨，然后引发火灾。

目前，隧道洞内高压电缆起火发生火灾、会车时隧道塌方砸中列车并引发火灾，这些火灾事故还是个案，但是随着隧道内电气设备老化、带病运营的隧道衬砌的耐久性持续劣化，类似的隧道火灾事故有可能还会发生。

表4分析了19例隧道火灾事故中着火列车的运行情况。分析表明绝大部分事故中的着火列车都停在了隧道内，只有在连接瑞士与意大利的Simplon隧道(1969年)和意大利某特长隧道(1999年)内的着火列车驶出了隧道。表4第1—6例事故中，列车碰撞、脱轨及隧道塌方等引起列车火灾，列车没有后续运行能力，于是停在了隧道内；第7—13例事故中，列车车辆关键部位故障引发列车火灾，列车丧失了牵引动力或火势太大紧急制动使列车停在隧道内。由于电力中断或人为紧急制动，着火列车停在隧道内，如日本新生驹山隧道(1987年)、中国大瑶山隧道(1991年)和瑞士Hirschengraben隧道(1991年)。此外，在法国Mornay隧道(2003年)内，Autorail列车检测到车内发生火灾，列车自动停在隧道内。由此可见，除非隧道火灾事故中着火列车丧失了继续运行的能力外，着火列车能否驶出隧道是由人为制动和列车后续运行能力决定的。

表4 隧道火灾事故中列车运行情况分析

Table 4 Analysis of train operation in tunnel fire accidents

序号 隧道名称年份列车数 隧道内火灾原因 着火列车运行情况1Batignolles隧道1921年2一列先停车,后发生首尾碰撞停车2Gütsch隧道1932年2追尾碰撞停车320号隧道1944年3先追尾,后发生迎面碰撞停车4Vierzy隧道1972年2会车时隧道塌方停车5后湾车站曲线隧道1990年2列车超速,先脱轨后碰撞停车6泥牛隧道2011年1脱轨停车7生驹山隧道1947年1前机车的主变电器过热停车818号隧道1956年1机车断路器故障,主变电器过热停车9石北隧道1961年1动车车厢地板下的电动机起火停车10Wranduk隧道1971年1柴油发电机车起火停车11北陆隧道1972年1餐车电暖设备漏电发热紧急制动、停车12乌鞘岭隧道2009年1电力机车突然起火紧急制动、停车13小米溪隧道2013年1机车后柴油发电车出现故障停车14新生驹山隧道1987年1高压线缆发生火灾电力中断,停车15大瑶山隧道1991年2旅客乱扔烟头紧急制动、停车16Hirschengraben隧道1991年2不详紧急制动、停车17Mornay隧道2003年1不详检测到火灾,自动停车18瑞意Simplon隧道1969年1列车尾部的机械装置发生火灾驶出隧道19意大利某特长隧道1999年1估计人为造成驶出隧道

现有案例分析表明，铁路隧道运营期防灾考虑着火旅客列车随机停车工况是非常重要的。但是铁路隧道发生火灾的概率相对较小，从隧道防灾救援疏散工程建设成本考虑，长大铁路隧道(群)完全实现着火旅客列车随机停车疏散救援是不可行的。按照现行设计规范[10]，大量的长大铁路隧道(群)设置斜井或横洞式紧急出口、斜井或横洞式避难所、紧急救援站作为着火旅客列车定点停车疏散救援；而特长双洞单线隧道具备隧道全长范围内考虑着火旅客列车随机停车疏散救援，设有较长平导(通常具有3条以上横通道)的长大铁路隧道具备在平导范围内正线隧道考虑着火旅客列车随机停车疏散救援。

对国内外铁路隧道运营期涉及旅客列车火灾事故原因进行分析，并制订相应对策，见表5，以减少铁路隧道火灾事故。

表5 涉及旅客列车的隧道火灾事故原因及相应对策

Table 5 Causes and corresponding countermeasures of tunnel fire accidents involving passenger trains

铁路隧道火灾原因相应对策 列车车辆关键部位故障 规范列车车辆使用材料;对主变电器、电动机、发电机及电器取暖设备等列车车辆关键部位进行重点防火设计;列车火灾分区及火灾自动检测 闯信号、列车超速、故意纵火等人为因素 加强安检,防患恐爆;加强培训及管理,杜绝违章操作;加强宣传客车防火及安全疏散知识 列车车辆缺陷致列车碰撞或脱轨 车辆部门要加强列车检修;杜绝列车关键部位带病工作洞内高压电缆起火长大隧道内设火灾检测及预警系统 会车时隧道塌方砸中列车发生火灾 提高隧道衬砌维修养护技术水平,及时甄别高风险隧道病害,并制订整治计划

4.2 货物列车火灾事故

表1中，涉及货物列车(包括油罐列车)的隧道火灾事故共计有23例，有11例隧道火灾事故涉及油罐列车，其中8例是国内案例。工人违章作业、货车紧急减速、钢轨断裂、路基不均匀下沉和地震等因素引发油罐列车脱轨或颠覆，使隧道内罐车油汽外溢聚集达到了爆炸极限，是造成隧道火灾事故的主要原因。此外，油罐列车在隧道内发生脱轨或颠覆时，救援列车实施救援必须防患火灾事故。在其余12例隧道火灾事故中，5例事故原因仍然未知。

隧道内货物列车发生火灾，既有列车车辆原因，也有人为因素，或者两者都有。例如列车制动缺陷致下坡失控，列车发生追尾；列车司机闯信号，列车发生追尾；发动机故障致列车停车，信号指挥错误致列车发生碰撞。货物列车在隧道内发生脱轨、货物列车运载的货物“闷烧”，也是货物列车在隧道内发生火灾的主要因素。此外，也有一些偶然事故，可能存在人为过错，如行驶的列车摇开了运载的汽车车门，拖住了隧道壁上的输电线，从而引发隧道火灾。

对国内外铁路隧道运营期涉及货物列车(包括油罐列车)的火灾事故原因进行分析，并制订相应对策，见表6，以减少铁路隧道火灾事故。

表6 涉及货物列车的隧道火灾事故原因及相应对策

Table 6 Causes and corresponding countermeasures of tunnel fire accidents involving freight trains

铁路隧道火灾原因相应对策 列车碰撞、脱轨或颠覆 工务部门加强铁路基础设施巡检及维修养护,杜绝违章作业;车辆部门加强列车检修,杜绝列车关键部位带病工作 罐车油汽外溢聚集达到了爆炸极限加强铁路危险货物运输管理闯信号等人为因素加强培训管理,杜绝违章操作运输货物“闷烧”加强铁路危险货物运输管理

5 隧道衬砌剥落事故原因及对策

法国Vierzy隧道(1972年)、美国3号Eagle隧道(2005年)和中国兴安岭隧道(2000年)都是百年隧道，在长达百年以上的运营使用后，隧道衬砌的耐久性出现了问题，在外部因素的作用下隧道衬砌混凝土会发生剥落。

1999年，日本福冈隧道、北九州隧道和礼文滨隧道先后发生了衬砌混凝土剥落。这些隧道的共同特点有： 修建于20世纪70年代，隧道衬砌为素混凝土，剥落是局部问题，对隧道总体稳定没有直接联系；施工后早期发生开裂，随后逐渐发展而导致剥落[11]。

自2001年以来，我国铁路隧道发生了4起隧道衬砌剥落事件，即宝中线清凉山隧道(2001年)、达成线万山寺隧道[12](2001年)、达成线苟家沟隧道(2012年)和李家庄3号隧道(2012年)。与百年隧道相比，这4座隧道运营时间都不太长，剥落处衬砌存在缺陷。苟家沟隧道拱部衬砌混凝土剥落处位于环向施工缝一侧，见图4，经现场测量，该处衬砌厚度约13 cm。李家庄3号隧道衬砌混凝土剥落处位于环向施工缝一侧，二次衬砌不密实，局部厚度不足，衬砌后存在空洞[13]。

图4 苟家沟隧道衬砌剥落

Fig. 4 Lining spalling of Goujiagou Tunnel

隧道衬砌混凝土剥落的原因很复杂，既有自然因素，也有人为因素，通常是综合作用的结果，主要原因有： 1)衬砌厚度不足和背后存在空洞； 2)衬砌施工质量欠佳； 3)衬砌运营维修养护水平低下； 4)外部因素导致隧道衬砌结构受力状况发生根本变化； 5)衬砌结构年久失修等。通常隧道衬砌剥落使隧道病害产生、演化，最终导致衬砌结构失稳破坏。

由此可见，不论是百年隧道，还是运行几十年且存在工程质量问题的隧道，当隧道衬砌混凝土的耐久性存在问题时，在外部因素的作用下铁路隧道衬砌发生剥落事故是可能的。

作为运营铁路隧道，提高隧道衬砌维修养护水平，及时甄别隧道衬砌的高风险病害，并制订整治计划，是预防隧道衬砌剥落的根本之道。目前针对隧道衬砌检查，国内外都研发出车载隧道全息成像测量系统或激光隧道扫描系统，通过对隧道衬砌的定期检查，甄别出隧道衬砌的高风险病害，并对这类衬砌病害进行整治或长期的在线监测及预警。

6 结论与讨论

本文收集了83例国内外铁路隧道运营期事故，以期确定长大铁路隧道(群)运营防灾对象，提出预防及处理对策。通过案例分析研究，主要结论如下。

1)自1970年以来，国内外铁路隧道运营事故案例总体上呈现上升趋势。

2)火灾、列车脱轨和列车碰撞3类隧道运营期事故案例累积达到了统计事故总数的80%，其中火灾事故占了事故总数的50%。因此，铁路隧道运营期防灾应以隧道火灾为重点，同时兼顾列车碰撞及脱轨事故。

3)国内外铁路隧道衬砌混凝土剥落事故案例累积达到了统计事故总数的10%。混凝土剥落会危及隧道内行车安全，因此，铁路隧道运营期防灾应积极预防隧道衬砌混凝土剥落掉块对列车行车安全的威胁。

4)旅客列车在隧道内发生行车火灾事故，主要原因归纳为： ①列车车辆关键部位故障； ②闯信号、列车超速、故意纵火等人为因素； ③列车车辆缺陷致列车碰撞或脱轨等。

货物列车(包括油罐列车)在隧道内发生行车火灾事故，主要原因归纳为： ①列车碰撞、脱轨或颠覆； ②油罐列车油汽外溢聚集达到了爆炸极限； ③闯信号等人为因素； ④运输货物“闷烧”等。

5)列车在隧道内发生行车碰撞事故，主要原因归纳为： ①信号操作员、列车司机或维护工人犯错误等人为因素； ②车厢脱落或车辆故障引发车厢或列车停留； ③隧道衬砌剥落及电气设备坠落横亘在轨道上等。

6)列车在隧道内发生行车脱轨事故，主要原因归纳为： ①列车碰撞； ②轨道缺陷或断裂； ③路基不均匀下沉、工人违章作业等因素引发轨道尺寸突变等。

7)现有火灾案例分析表明，铁路隧道运营期防灾考虑火灾情况下随机停车疏散救援模式是非常重要的，但是从工程建设成本考虑，少数特长隧道运营期防灾采用随机停车疏散救援模式，而大量的长大铁路隧道(群)运营期防灾采用定点停车疏散救援模式和局部范围内随机停车疏散救援模式。

8)铁路隧道运营期防灾是一个非常复杂的问题，涉及基础设施、铁道车辆和运输调度，应建立铁路隧道运营期灾害防范体系及预警系统，依靠技术进步及管理理念革新，积极预防铁路隧道运营期灾害事故。

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Study of Disaster Types and Prevention Methods of Railway Tunnel during Operation Period Based on Statistical Theory

LI Kui, WANG Zhiqiang

(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610083, Sichuan, China)

Abstract： A number of 83 cases of accidents in railway tunnels in China and abroad during operation period are collected and analyzed, and main disaster types, causes and countermeasures are studied so as to provide guidance for construction, operation and disaster prevention of railway tunnel. The study results show that: 1) During the operation of railway tunnel, the main disaster types are fire disaster, train collision, derailment and lining concrete spalling. 2) Attentions should be paid to fire disaster, train collision, train derailment and tunnel lining concrete spalling during operation of railway tunnel. 3) The key parts failure of train vehicles, human factors and train collision or derailment induced by vehicle defects are responsible for the train fire in the tunnel. 4) The disaster prevention mode of long railway tunnel and tunnel group during operation period can be designated as parking evacuation and rescue and random parking evacuation and rescue within full or partial range of tunnel based on the scale of civil facilities and the characteristics of tunnel structure. 5) Disaster prevention of railway tunnel is closely related to infrastructure, railway vehicles and transportation scheduling; it is necessary to establish disaster precaution system of railway tunnel during operation period and early warning systems for accidents prevention.

Keywords： railway tunnel; disaster during operation period; disaster type; fire disaster; train collision; derailment; lining concrete spalling

收稿日期：2016-07-14;

修回日期：2016-09-19

基金项目：四川省科技计划项目(2013GZ0147, 2015GZ0146)

第一作者简介：李奎(1979—)，男，四川资阳人，2010年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，博士，高级工程师，从事隧道科研及设计工作。E-mail： [e-mail]。

DOI：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.005

中图分类号：U 45< class='emphasis_bold'> 文献标志码： A

文献标志码：A

文章编号： 1672-741X(2017)02-0150-10